自走式紅棗撿拾機的設計

王洪昌 李燕 梅硯晨 潘濤 袁昊 曾榮

摘要 由于紅棗矮化密植的特點，紅棗收獲大多依靠人工，效率低下，勞動強度大。為解決這一問題，在已有紅棗撿拾機器的基礎上，基于負壓產生氣吸的原理設計了一種自走式紅棗撿拾機，該機器主要由收集裝置、清選裝置、行走機構、傳動機構、動力系統和底盤組成。利用負壓收集紅棗，該設計能有效減少紅棗撿拾過程中的沖擊損壞，具有初步清選的功能，并且實現了自走，提高了勞動效率。

關鍵詞 紅棗;撿拾機;自走式;氣吸式

中圖分類號 S225文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）15-0208-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.057

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract Due to the characteristics of dwarf dense planting of red jujube，? the harvest of red jujube mostly depends on artificial operation，which is of lowefficiency and highlabor intensity. In order to solve this problem， on the basis of the existing red jujube picking machine， a selfpropelled red jujube collector was designed based on the principle of gas suction generated by negative pressure. The collector is mainly composed of collecting component， clearing device， walking mechanism， transmission mechanism， power system and chassis. The negative pressure was used to collect red jujube， this design could effectively reduce the impact damage in the process of collecting red jujube， it had a preliminary cleaning function， which could realize selfpropelled function and improve the labor efficiency.

Key words Red jujube;Collector;Selfpropelled;Gas suction

基金項目 華中農業大學大學生科技創新基金項目（2018233）;國家自然科學基金青年項目（51605182）。

作者簡介 王洪昌（1984—），男，河南太康人，講師，博士，從事農業機械仿生理論與技術研究。

收稿日期 2019-04-01

紅棗是我國的特色林果，是一種重要的經濟作物，含有豐富的維生素，食用價值和藥用價值很高。由于紅棗在矮化密植種植模式下產量高、生產效益好，矮化密集種植已成為紅棗種植的主要方式[1-2]。傳統的紅棗收獲方法為人工敲打棗樹枝，棗落地后人工撿拾，這不僅勞動量大，而且效率低下[3]。近年來，農業工作者急劇減少，采摘勞動力出現短缺。紅棗撿拾產業的機械化也迫在眉睫。因此，設計一種自走式紅棗撿拾機，對雜物進行初步清理，并且能有效保證紅棗的質量，且可以暫時儲存大量紅棗。

目前市場投入使用的紅棗摘選機有機械式和氣吸式2種[4]。機械式撿拾機有撿拾輥式和滾筒毛刷式，但會對紅棗造成損傷，利用振動裝置，達到棗樹分離的目的，但此種方式會對棗樹造成損傷。市場上現有的氣吸式撿拾機（如YE3600型）[5]對紅棗或者棗樹沒有造成較大的損傷，但不足之處是此機器效率低，由于機器密封，倒出紅棗比較繁瑣，且沒有自走功能。

現有的氣吸式紅棗撿拾機功耗較大，具有初步清選和自走功能的較少。針對現有的問題，筆者設計了一種自走式紅棗撿拾機，該機器基于負壓原理直接從地上撿拾紅棗，并對紅棗進行初步清選，旨在實現高效撿拾紅棗的過程中對紅棗進行清選，同時具有自走的功能，優化紅棗收集和傾倒裝置，有效提高紅棗撿拾的工作效率。

1 自走式紅棗撿拾機的設計

1.1 結構

針對紅棗矮化密集種植模式，設計了一種氣吸式的自動紅棗撿拾機。紅棗撿拾機整機底盤為三輪結構，具有較強的穩定性，且能實現轉向功能，主要結構包括機架、風機、風箱、閉風器、波紋管、集棗箱、清選系統、行走機構和傳動系統（圖1）。吸管與風箱相連，風箱與閉風機相連，閉風機與清選機相連。當撿拾機工作時，風機旋轉產生負壓，紅棗被風機所產生的負壓吸取，通過波紋管進入風箱，因重力落入閉風器，閉風器轉動使得紅棗落入清選系統。清選系統中的風機將雜質吹出，清選后的紅棗落入收集箱，箱體后方有一開口，便于集棗箱的更換。前輪為萬向輪，動力系統將動力通過傳動系統傳到行走輪上，從而實現機器的自主行走。

1.2 工作原理

啟動柴油機后，通過聯軸器、皮帶輪等傳動機構將動力傳送給風機、閉風器等裝置。大風機處于工作狀態時，在真空室中產生負壓，紅棗通過氣吸管被吸取。閉風器工作，阻止外來空氣進入，保證撿拾的紅棗能夠連續不斷地及時排出，落入收集箱中;柴油機的動力通過減速器減速，傳遞給小風機，小風機產生較小的風力，清除雜質;此機器的前輪為萬向輪，可以方便地調整行走方向，后輪通過柴油機提供的動力驅動，由離合器控制，實現自走功能。

2 關鍵部件設計

2.1 閉風器的設計

該機器的創新之處在于增加了閉風器（圖2），其主要功能是將紅棗連續不斷地及時排出，同時阻止外空氣進入，具有良好的密封性。該閉風器是由帶有數片葉片的轉子葉輪、殼體、密封件等組成。葉輪采用敞開式，既能起到防止堵塞的作用，又減輕了機重，縮小了外型。

2.2 傳動系統的設計

自走式紅棗撿拾機的傳動系統主要由聯軸器、皮帶輪組成。動力分別通過2個皮帶輪傳遞到風機、行走輪、閉風器中。皮帶傳動具有簡單的結構，低成本和緩沖吸振作用;皮帶彈性較好，工作時可以緩沖、吸振。當負載過大時，皮帶輪會打滑，可以防止損壞其他部件，起到安全保護的作用。

2.3.2 風機2的選擇與計算。

風機2主要的作用是產生風力，將雜質與紅棗分離，棗葉在氣流場中的受力與棗葉在氣流場中下落的姿態角（棗葉的縱軸線與氣流方向之間的夾角）有關，姿態角不同，受力面積不同。棗葉在氣流場中承受氣流阻力、浮力、重力3種力[6]，與棗葉重力及氣流阻力相比，浮力可以忽略不計。氣流阻力進一步分為壓差阻力及沿程阻力。壓差阻力是棗葉表面壓力的合力在來流方向的分力，是棗葉上表面和下表面上的壓力之間的差值;沿程阻力是棗葉與氣流產生相對運動時上表面與下表面之間產生的摩擦力，是作用在棗葉表面上的切應力在來流方向的總和。棗葉受力情況如圖3所示。

按以下公式計算重力：

壓差阻力F1在垂直方向上的分量：

沿程阻力F2在垂直方向上的分量：

其中，棗葉的上表面區域和下表面區域的氣流速度不同，下表面的氣流速度大于上表面的氣流速度。

氣流阻力在垂直方向的合力：

也可以寫成：

式中，P為棗葉上表面受到的氣流壓力，單位為N/m2;

ΔP為棗葉上下表面的壓力差，單位為N/m2;

β為棗葉落下時與氣流之間的夾角;

f為摩擦系數，與棗葉的形狀、氣流的運動狀態有關。

根據伯努利方程可知，在流體運動中忽略了黏性損失，單位質量流體攜帶的總能量（位能、壓能、動能）在其流經的路程前后位置時保持恒定，由于氣流的比重非常小，因此可以忽略位能。為了計算懸浮速度，將壓力能轉換為動能，公式（10）可寫為：

式中，c為壓差系數;V為氣流速度，單位為m/s;K0為試驗系數;γ為空氣比重，單位為N/m3。

當氣流阻力等于紅棗重力時，棗葉處于懸浮狀態，氣流速度即為懸浮速度，即：

換算成懸浮速度：

Vf是在無限氣流場中計算得到的棗葉懸浮速度的公式。然而，在實踐中棗葉的清選分離是在有限的管道中進行的，因此必須考慮由棗葉占據管道有限面積引起的氣流變化。根據雷諾數的大小，氣體在管道中的流動可分為層流和紊流。層流中，氣流的速度從管壁到軸心成拋物線分布，其平均速度僅為軸心處最大速度的50%;紊流中，速度呈指數分布，其平均速度為最大速度的0.80～0.85倍。綜上可知，棗葉在有限氣流中懸浮速度VL如下：

式中，K1為氣流的狀態系數，與氣流狀態和管道中氣流的能量損失有關;j為棗葉與管道總面積之比。

VL是在有限氣流場中獲得的棗葉懸浮速度，是簡單分析在氣流場中單個棗葉的受力，但棗葉都是成群出現，相互碰撞并相互作用。該研究不考慮棗葉和紅棗之間的相互作用。由于棗葉的姿態角為0～π/2，因此可以認為在每個姿態角處的棗葉是等概率的。因此，可得出棗葉在有限氣流管道中的平均懸浮速度：

式中，G1=M1g=0.4×10-3×9.8=3.92×10-3（N）， S1=0.116 m2， K1=0.4，φ=0.333，K0=0.6，c=0.609。

經計算得出，紅棗棗葉的懸浮速度為2.73 m/s。

2.3.3 風機的選型。

該機器風機如圖4、圖5所示。在農業生產中，清選設備主要有農用型離心風扇和通用型離心風機2種[7]。吹出型風機大部分為農用型，吸入型裝置則為通用型。吸入型清選裝置采用的通用型風機，大多為螺旋蝸殼型殼體。單面進風，葉輪直徑為250～400 mm，轉速1 600～1 900 r/min。 通過選型，可確定使用風機型號為L-09系列風機[8]。

3 結語

該研究針對目前紅棗撿拾存在的問題，基于負壓原理設計了一種自走式紅棗撿拾機，該機器主要由收集裝置、清選裝置、行走機構、傳動機構、動力系統和底盤等組成。通過對該自走式紅棗撿拾機的研究發現，機具結構合理，方案可行。該機的優點在于通過氣吸原理實現自動化撿拾紅棗的功能，提高了勞動效率。機械采收效率約比人工采收提高4～5倍[9];具有一定的清選功能;采用氣吸式收集，對紅棗的損傷較小。目前該機械的不足之處在于

該機器仍需要人工手持撿拾管收集紅棗，人工控制機器前進方向，后續將進行進一步試驗研究，從結構和功能上對該機器進行優化，從而實現高效率的自動化紅棗撿拾作業。

參考文獻

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[3]黨凱鋒，張鵬霞，楊震，等.一種氣吸式紅棗撿拾收獲機的研制[J].農產品加工，2017（16）：31-34.

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[8]續魁昌，王洪強，蓋京方.風機手冊[M].2版.北京：機械工業出版社，2011：7-11

[9]艾建軍，高韶坤，劉建敏，等.大棗收獲機設計[J].江蘇農業科學，2015，43（12）：434-436.